摘要

随着全世界环境的污染的日益加重，全球变暖和石油资源的短缺越发的严重，政府部门已经颁布了更加严格的要求，针对于燃油经济性和汽车排放量方面的要求更加的严格。于此同时，电动汽车的出现带来了零排放的可能性，电动车对于节约燃油和原油的优势还有电动车对于原油独立性上的优势越来越明显。电动车比较高的能源效率这方面的优势，使得电动车辆受到了建设者和消费者的大量关注，电动汽车有更为先进的资源和能源应用的效果，更加智能的应用和对于能源的更加合理运用使得电动车比传统的运用化石燃料的车辆更加优秀。然而，电动汽车需要提高整体上的成本效益从而才能在市场上提高竞争力。

所以，作为电动车的的动力来源的电池性能方面的优化和管理是非常重要的，针对于促进提高电动车竞争力是非常重要的步骤，并且对于公共对充电设施的完善和改进，大力推广电动车政策也起到了重要的推进作用。在参考文献中有所提及的，目前的研究表明，电动车使用新的传输系统来取代传统的单一的变速装置是更加有效地结构方案，更加优秀的变速器设置对于电动车来说也更加的重要，优秀的变速器更可能显著得提高电动汽车的性能。传统的手动变速器（MT）和无级变速器（CVT）还有单减速机在过去的一段时间内，已经通过建模和仿真等几种方式来比较过，特别是在周期内的综合性能比较，已经进行了很多次。其中，双速自动变速器（AMT）经历过模拟电动汽车的性能实验，还有针对电动车的试验，在台架上的试验。并且与一二速双离合变速器（DCT）也在这几种试验中进行了大量的比较^{[ 11 ]}。

除此之外，文章中还介绍了一种新的双速变速箱结构，这种结构是通过给变速器增加一个单向离合器的的方式来改进的^{[ 12 ] [ 13 ]}。而在电动汽车的AMT上安装这种机构可以提高能源效率，由于这种机构的换档舒适性比较差我们可以通过约束电力，控制电力中断的方式来提高舒适性。因此，一个平滑换档的电动车^{[ 14 ]}传动系统是有必要在电动车上进行改进的，这对于电动车来说也是非常重要的。

在本文中，一种新的两轴式的高速动力传输系统，有着机械结构上的的优点和实现无缝换档等两方面的优点。与之相比在^{[ 12 ] [ 14 ]}电动车的基础上进行改进的传输系统无疑也给电动车提供了更大的发展空间，文中介绍的机构在新要求下，给与了电动车更多的支持，保证了电动车在新的社会环境下的优势，本文提出的新型传输系统是在 ^{[ 1 2 ] [ 1 4 ]}电动车的基础上进一步改进出来的动力传输系统，本文提出的新型传输系统能够更紧凑的组装组装在车上，更容易实现控制换挡区域的控制,也就是说可以使得换挡的操纵对于驾驶者来说更加的方便舒适，在研究换挡机构的优化控制方面，还进行了各种动力传输的实验。并将最优控制方案应用于车辆的离合器^[15][16]的设计当中当中,这种方式也被运用在了混合动力电动汽车的换挡情况之中^[17]。

动态换挡方案和最优控制方法已用于^[18]电动车的变速器当中,汽车的行驶控制可以推导出一个明显的的形式，通过有效的实验方式来测量在换挡机构自动变速器(AT)的换挡过程。考虑到司机换挡时对于速度要求的不确定性和车辆结构^[19]的不同,我们引入Hinfin;控制和LMI(线性矩阵不等式这两种检测方法用来提高换挡机构控制器的机械效率并保持更好的性能^[20]。本文针对提高操纵性在换挡机构上的表现进行探讨。

换挡机构的性能基于Hinfin;控制算法来实现，这在实现电动汽车的传动控制系统的高效表现当中是必要的一点。在文章中,机械布局和数学模型这两种方式共同给出了动力传输系统的规律。在第三节中,我们对动力传输系统控制器的开发,和控制方法在换挡中的规律进行了详细讨论。最后,文章提出了控制系统的性能测试和所得到的规律曲线，在第四节中通过一组模拟所得到的实验结果。描述了动力传动系统的系统动力学建模，和使用传导机制仿真模型所建立的包括驱动模块、驱动电机、电池、传输和车辆纵向动力学的模型等。

考虑到半轴在扭转动态等方面的对实验带来的影响。如图1所示。动力传输系统的选取很关键，所以在这个模型中采用singlestage行星齿轮系统。由离合器和动力传输系统组成的变速系统,如图2所示,使这里的动力传输更加的流畅，从而使无缝变速排档得以实现,并且实现了优秀的动力转变,并可以把动力传输给电动车。

图1。图片中的动力传动系统框图所描绘的传输结构是与老式动力传动机构相似的传动机构,但有两个明显的差异。一般来说，变矩器通常是在常规方案中使用的,而不是为了提出新型的汽车理念而采用的,由于其相对较低的效率而不被广泛的使用。此外,新型汽车的换挡系统采用的电动执行机构,和常规使用的液压制动器。前者有着结构简单、容易部署和快速反应等优点。机构如图所示。

Transmission Dynamics

在这里所描述的两种动力传动机构的原理图和传递动力的电动机的转矩T_M可以从一个数值表中的插值函数中找到，油门踏板所处的位置a_P和电机转速W_M之间的关系也可以在图表中找到，传动轴连接着发动机和传输系统，这种做法是模仿spring-damp系统的，弹簧系数k_s和阻尼系数c_S是一定的。通过这些我们可以得到传动轴的性能方程。有以下这个方程。

(1)

角的变化量作为传动轴的扭转角,在下一节中提到了在W_S稳定阶段条件下,行星系统的动力学可以有着如下的定义

(2)

符号W_R, W_S和W_C，它们是太阳齿轮的转动速度,环形齿轮和动力承载物件。第一个齿轮的传动比与上边的式子有关,其中I_SP是相反的，作为传递动力的行星齿轮之间的传动比它们和太阳齿轮的传动方向是相反的,和所知道的齿轮之间的传动比，也是相反的，其中包括环形齿轮和行星齿轮之间的传动比，这些是我们所了解的。传输系统的总体方程如下。

(3)

符号J ₁,J ₂ J ₃和J₄的速度惯量可以通过计算从太阳齿轮的惯量J_S来计算,承担机构惯性的参数J_C,环形齿轮惯量J_R,单一的行星齿轮惯量的大概数值和平均值等都可以通过计算得到，主要齿轮的平均值,这些平均值是齿轮中心之间的距离，中心齿轮与行星齿轮中点之间的距离。N的数量为小齿轮的数量。下标M,CL和BR是与力矩是有关于电机、离合器和制动器的数值。

(4)

类似于传输系统的输入轴,动力轴连接传输系统并且使得最终传动作为spring-damp建模系统的数值依据。传动轴所传动出的扭矩,和最终输出的扭矩，在传动系统之间的关系,可以通过计算得出的通过下面这个式子

(5)

这是一个通过计算输入转矩得到的最终传动的转速的方程。车辆的纵向动力学的方程可以给出以下结论

(6)

这个式子可以得到最终得传动齿轮传动比数值,还有轮子的动态半径r_W,车辆质量,旋转质量修正系数、车辆速度v,阻力系数C_D,车辆正面面积、重力加速度g,风阻力系数f_Wind,滚动系数f_Roll和倾斜的道路a等数值都是可以通过以上式子得出的。

传输控制器设计

为方便于控制器的设计、我们对于动力传动系统的系统动力学模型进行了大量的简化,在设计时考虑到输入和输出轴传动是以刚性轴为基础来进行设计的。动力传动系统模型的运动方程可通过以上的条件得到一个简单的式子，如下图所示

(7)

电动车的行驶状态空间方程通过计算可以得出以下情况。

(8)

汽车的速度控制因素,可以通过控制电动机的转矩来实验得到，当的时候。的角度与正常时的区别是给我们提供参考的，我们可以观察这一变化从而计算得到未知量，当我们跟踪转速轴承和环形齿轮时，我们观察它们之间的区别。通过观察其中的变化来进行设计换挡运动的新算法的计算,在换挡的过程中,我们视为一个时间序列的增量t为变量,这个变量t和高阶项都是被研究所忽视的。系统的方程可以转换成离散方程，如下所示

(9)

这种方式可以作为参考速度差的信号

观察参考速度在一定阶段内的差异,在原系统中描述(7)的情况，通过定义一个新的更大的状态向量来描述（7）的情况。

与增强系统的可观察性，这样的情况可以被描述为以下的式子

(10)

在式子(9)当中所描述的系统，为了使之能够进一步的转化为增量的情况来实现控制和积分两种重要的形式，通过这种方式来获得更加直观的情况，总结出以下一个式子

(11)

考虑到车辆的情况,并且遵循系统的状态向量(10)，就需要考虑到延迟加速度adl,k和j_k所得到的，这些变化会产生一种有规律的改变，从而推导出以下一个式子

当

可以感受到这样的一个有规律的改变，根据观察发现，当系统再一次增强它的数值变动时，就会出现以下这个情况。

系统的控制目标(11)在这样的变化中所描述出的变化和我们通过跟踪观察所得出的误差，这两者同时下降到了最低的转速，在不同的扭矩载体上的转速，和环形齿轮的转速也一同变成了最低情况,以及车辆在控制输入动力的情况下车的转速做出了改变。性能上的测量也是通过以上的观察来进行的，结合着跟踪观察所带来的误差来观察速度上的差异，通过观察我们发现有以下这个式子。

(13)

Hinfin;控制器找到了可以减少干扰的影响来进行检查的方法，从而得到了增加的K 与 P两种值，这样的测量也可以写成以下这样的形式

(14)

在以下这样的状态下反馈控制要输入当系统在(11)的情况下变成了一个闭环的系统。

(15)

这种情况下在闭环系统(14)中与给定的Hinfin;的性能指标是相对稳定的,如果存在于正定矩阵的话，可以输入以下式子P=P^T和X来进行验证，验证之后可以对电动车来进行一定的优化。

(16)

变量W=KX的定义矩阵X是有很强的约束力的^[21]。这个问题是可以通过使用MATLAB中的LMI工具箱来解决解决和反馈的，增加变量从而可以得到W=KW^-1的仿真结果，以此来对研究对象进行了解。

仿真结果

为了评估在换挡过程中的性能,仿真模型进行了包括驱动模块的校核、电池管理模块和给机构提供动力传动系统的系统动力学的检验等校核等检测,样品的规定变量时间为0.001秒。这些同加速和减速控制流程的程序相似,不失一般性,加速的控制在这一节中有详细描述。控制器是图3所示的样子。在传统的传动系统(线性二次调节器)控制器的控制下，如果不考虑到预览步骤的参考和车辆的最小化设计的话，通过比较新的和老旧的传动系统的比较，可以发现权重矩阵可以描述机构的性能。

我们可以在传动效率等方面实行检查和监控并可以通过软件来进行命令，使机构可以完成命令。

图4说明了在预先观察的时候，机构的瞬态响应和输出之间的关系。曲线命名为“没有进行预测的第一步的曲线”代表了在控制器监控之下的速度上的误差,稳态误差,如图4所示(a)和(c)两个图来进行进行比较。结果预览不同步骤,

和车辆的加权矩阵的性能两图均在下

在观察之前我们提前输入数值Qj=0。则可以得到预览的数值和我们可以进行观察的步骤,从而获得较小的稳态误差。可以看到,瞬态响应的改善在预览步骤1到5中是显而易见的,但有限的预览步骤6到10则看不到特别明显的变化,如图4所示(b)和(d),这是单独的局部放大图,图4(a)和(c)。

因此,预览一步是选为5。图5说明了Hinfin;控制器的检测结果与汽车加权矩阵在Qj=0和Q=0.00001相同的换挡机构的不同之处。

如图6所示,道路阻力的扰动力矩T_Road视为在观察范围之内的干扰。

这种波动说明了该控制器的抗干扰性与同等的其他控制器的比较,在图7中。其他同等控制器和抗干扰控制器与上述相同。图7(a)和(c)，这两幅图为单独车辆加速度在换挡操纵过程中采用的等控制器和所倡导的控制器之间的比较。

图7(b)和(d)是过程的局部放大图。可以看出,车辆的滚动是减少增加滚动在控制器中的性能指标。而摩擦离合器的工作上的瑕疵也降低了8%的性能效率。图7(a)和(c),可以看出, 道路阻力力矩的干扰给与车的加速度是有限的一个很小的范围的。但结果同等控制器的波动力矩的扰动还是很大,从而恶化了换挡机构的情况。

结论

本文提出一种2-speed

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SIMULATION AND CONTROL OF A NOVEL TWO-SPEED UNINTERRUPTED

MECHANICAL TRANSMISSION FOR ELECTRIC VEHICLES

ABSTRACT

Development of electric vehicle (EV) technology leads to the growing performance requirements of driving motor.Introducing a two-speed transmission to EV offers the possibility of economic and dynamic performance improvement of the whole powertrain. This paper presents an innovative two-speed Uninterrupted Mechanical Transmission (UMT), allowing the seamless shifting between two gears. Considering the uncertain factors during gearshift, a robust controller is designed based on Hinfin; control method. An optimal controller based on linear quadratic regulator is adopted for comparison. The results indicate that the UMT adopting robust controller provides an

improvement of dynamic performance and shifting comfort for EV.

INTRODUCTION

With the increase of environmental pollution, global warming and shortage of oil resources, government departments have promulgated stricter regulation on fuel economy and emissions. Meanwhile, the electric vehicles have brought the advantages of zero emissions, independence on crude oil and

high energy efficiency, receiving significant attention from vehicle constructors and consumers.The EVs have more advanced sources and more intelligent management of energy than conventional fossil-fueled vehicles.However, the EVs need to improve the overall cost effectiveness so as to feature stronger competitiveness in the market. There are three major issues of EV that need attention, which is the optimization of battery performance and management, the improvement of propulsion efficiency and the distribution of charging facilities [1][2].In [3]-[8], current researches suggest that replacing the conventional single-speed reducer with more applicable transmission system may significantly improve the performance of EVs. The conventional manual transmission (MT) and the continuously variable transmission (CVT) have been compared with the single-speed reducer through modeling and simulation for the EVs over several standard drive cycles. The two-speed automated manual transmission (AMT) is introduced to the EVs by the simulation as well as the experiments on a test bench in [8]-[10], and a two-speed dual-clutch transmission (DCT) is also

implemented in [11]. Besides, a new structure of two-speed gearbox is designed by adding a one-way sprag clutch to the traditional two-speed MT in [12][13]. While the implementation of AMT in EV can improve the energy efficiency, the power interruption during gearshift results in poor comfort performance due to the restriction of mechanism and principle. Hence, a smooth gearshift is necessary and crucial for the transmission system of EV [14]. In this paper, a novel two-speed transmission system is presented, taking advantages of its mechanical construction and realizing a seamless gearshift. Compared to the

transmission system developed from conventional MT in [12]-[14], the novel transmission system presented in this paper

achieves a more compact packaging and it is easier to control.

In the area of gearshift control, researches on the optimization of gearshift control have been carried out on various transmissions. The optimal control method has been applied in clutch engagement of vehicles in [15][16] and has also been used for the gearshift command in the hybrid electric vehicles in [17]. The dynamic programming method and optimal control method have been used in [18], and the control law is derived in an explicit form by minimizing the performance

measure during the gearshift process of automatic transmission (AT).Considering the uncertainties of the driver inputs and

vehicle constructions [19], Hinfin; control and LMI (linear matrix inequality) approach can be introduced into the gearshift controller and provide better performance [20]. In this paper,aiming at improving the robustness during gearshift, the Hinfin; based robust control algorithm of gearshift is implemented in the transmission control system of EV.

In the next section, the mechanical layout and mathematical model of the transmission system are presented. In section 3, a transmission system controller is developed, and the principle of control methodology during gearshift is discussed in detail.Finally, performance of the proposed control system of the novel transmission is presented in section 4 through a set of simulation

results.

MODELING OF THE DRIVELINE SYSTEM DYNAMICS

Transmission Mechanism A simulation model has been built including driver module,driving motor, battery, transmission and vehicle longitudinal dynamics, with consideration of the influence of half-shaft torsion dynamic. As shown in Figure 1.

The transmission simulated in this model adopts a singlestageepicyclic gear system. A clutch and a brake compose the gearshift system, as in Figure 2, which enables the novel transmission to accomplish seamless gearshifts and achieve excellent shift quality, and makes it competitive with a common

single-stage transmission for electric vehicles.

The structure of the transmission is somehow similar to the conventional AT, but there are two significant differences. Torque convertor is normally used in conventional AT, but not

adopted in the presented UMT, due to its relatively low efficiency. Besides, the gearshift system of the UMT uses electric actuators, while conventional AT uses hydraulic actuators. The former has the advantage of simple structure, easy deployment and quick response.

Transmission Dynamics The torque of the motor T_M can be interpolated from a lookup table as a function of the accelerator pedal position a_p and the motor rotational speed w_m.The shaft connecting t

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